膜蛋白的MD模拟

蛋白大体上分为三种类型, 组蛋白, 球蛋白和膜蛋白
组蛋白体积巨大但具有周期性,功能简单, 以支撑保护为主. 做机理研究的意义相对不大.
球蛋白可溶于水, 有一个亲水的外表面和输水内核, 体积较大, 功能复杂, 比如酶, 抗体等, 做药物设计的好像都跟这个亲热.
膜蛋白, 肯定和膜有关, 或吸附在膜表面, 或嵌入膜中, 或贯穿膜的两侧. 其中最后这种可以形成跨膜通道, 用以传输水, 离子以及其他小分子. 机理简单但细节不明, 且不需要多么高深的生理医学背景, 物理, 化学出身的人很喜欢搞这个.

膜蛋白的结构解析较为困难, 主要是这种蛋白一旦离开膜体系, 结构就会发生变化, 而常用的测定结构的方法又不能直接在膜中测定, 故pdb库收录的这类蛋白较少. 但总数目绝对够自己研究的.
质膜的种类很多, 在不同组织中的含量如下表所示. 在MD模拟中常用有POPE, POPC 和DPPC 等, 也有放入胆固醇的, 但单纯研究通道机理不需要加这个, 前面三种就足够了.

表1. 各种膜的脂质组成质量百分百*

脂质	肝细胞质膜	红细胞质膜	髓鞘	线粒体膜	内质网膜	E. coli 质膜
胆固醇	17	23	22	3	6	0
POPE	7	18	15	25	17	70
DPPS	4	7	9	2	5	微量
POPC	24	17	10	39	40	0
鞘磷脂	19	18	8	0	5	0
糖脂	7	3	28	微量	微量	0
其它	22	13	8	21	27	30

*韩贻人《分子细胞生物学》

vmd 中有一个membrane plugin, 可以快速的生成任意尺寸的, 据说是预平衡了的膜的pdb/psf.


使用方法,
% package  require  membrane
% membrane  -l  POPE  -x  50  -y  50  -o  mem
可以生成名叫mem.pdb/psf 的在xy方向各为50AA的POPE 膜,速度很快.
但也有缺点:
1 目前仅支持POPC 和POPE两种膜,
DPPC 结构可以到本站(geffery http://www.mdbbs.org/thread-5026-1-1.html)处下载.
更多参考 http://www.charmm-gui.org/?doc=archive&lib=lipid_pure
2 生成的结构还要进行长时间的模拟才可以使用.
3 两侧水的数目不可调, 且数目较少,使用时候要手工添加水.
vmd 可以使用solvate plugin很容易在体系内添加大量的水

在 http://www.mdbbs.org/thread-16355-1-1.html 中提过solvate的使用方法
solvate 可以在分子周围添加一个水盒子。
它的工作方式是把分子放入一个足够大的经过充分预平衡的水盒子中，然后删除不符合条件的水分子。
使用方法
solvate        ...
使用必须首先构建所要溶剂化体系的psf/pdb文件
有多种方法可以选择
*指定水盒子的位置, 如
solvate  foo.psf  foo.pdb  -minmax {{-20  -20  -40}  {20  20  20}}
可以把分子放入那个边长为40*40*80，中心在原点的盒子中
*指定分子6个侧面的(-x,-y,-z,+x,+y,+z)，如
solvate  foo.psf  foo.pdb  -z  10  +z  10
可以在z方向的2侧各补加10A厚度的水层，起始位置为这个方向的原子坐标的最小/大值.
如果这6个方向数值相同，可以
solvate  foo.psf  foo.pdb  -t  10
可以在6个方向都补加10A水层
还有其他选项可供选择，如水分子同溶质分子的最短距离等。

如果不指定psf/pdb文件，可以生成一个纯的水盒子，此时只能用-minmax 选项。
输入solvate会出现它的使用说明。
在namd-user' guide 第4章还有几个脚本可以实现添加球形溶剂等功能。

但反复折腾后,存在的一个问题是,不同时刻加进去的水在不同的segment 中, 而实际上所有的水都是等价的.
尽管这不会影响模拟的结果, 却对数据处理的脚本有点小的要求.
楼主吃过这个苦头, debug 了一天才找到原因 , 希望以后不要再范.

方法就是对加水之后的lipid 和water 分开做成两个pdb 文件,然后再在psfgen 中合并.
* namd 中的tip3p 力场不要求H-H 这根键, 从MacKerell Lab下载的charmm 文件要自行修改.(感谢zhidao_bu 的提醒)
* lipid 有两层, 原本是两个不同的segment 的, 其实大可不必. 因为在模拟中不会出现lipid 翻转的情况.
在真实世界中,如果没有酶,这个过程要花掉几个星期.要做的话,就要把原来的脂双层做成两个pdb 了.